建筑隔离材料的制作方法
【专利说明】建筑隔离材料
[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求2013年6月12日提交的第61/834, 038号的美国临时申请的优先权， 将其整体在此引入本文作为参考。
[0003] 发曰月背景
[0004] 隔离材料以多种多样的目的在建筑结构中使用，例如用于抵御热传递、潮湿、噪 音、震动等。一种类型的建筑隔离材料，例如是在墙和屋顶组件的构建中使用的水不可渗透 的房屋包层（housewrap)。除了防止水进入建筑物，这样的房屋包层通常还是透气的，其程 度为其对气体是可渗透的并且能够允许水蒸气从所述隔离材料中逸出，而不是将其束缚在 建筑物表面。不幸的是，一种与许多常规类型的建筑隔离材料例如房屋包层相关的常见问 题是它们一般不是多功能的。例如，常规的透气房屋包层材料是从DuPont获得的名称为 Tyvek?的闪纺聚烯烃材料。当提供良好的防水层性能时，Tyvek?.房屋包层通常不提供 良好的隔热。为此，经常使用聚合物泡沫用于隔热目的。然而，这样的材料不是必然地像可 透气的防水层一样发挥良好的作用。进一步地，用于形成泡沫的气体发泡剂随着时间能够 从隔离材料中浸出，导致环境问题。
[0005] 这样，目前对用于建筑结构的改进的隔离材料存在需求。
[0006] 发明概沐
[0007] 根据本发明的一个实施方案，公开了用于住宅或商业建筑结构的建筑隔离材料。 所述建筑隔离材料包括多孔聚合物材料，所述多孔聚合物材料由包含包括基质聚合物的连 续相的热塑性组合物形成。所述聚合物材料显示约300g/m2-24小时或更高的水蒸气透过 率，约0. 40瓦每米-开尔文或更小的热导率，和/或约50厘米或更高的静水压值。
[0008] 根据本发明的一个实施方案，公开了用于住宅或商业建筑结构的建筑隔离材料。 所述建筑隔离材料包括多孔聚合物材料，所述多孔聚合物材料由包含包括基质聚合物的连 续相的热塑性组合物形成。微米包含物添加剂和纳米包含物添加剂以离散区域的形式分散 在连续相中，其中在所述材料中限定出多孔网络，所述多孔网络包含多个纳米孔，所述纳米 孔具有约800纳米或更小的平均横截面尺寸。
[0009] 根据本发明的再一个实施方案，公开了一种建筑结构，所述建筑结构包括限定内 部的建筑外壳。所述建筑结构还包括建筑隔离材料，例如本文所描述的，其邻近建筑外壳的 表面、所述内部或其组合设置。例如在一个实施方案中，所述建筑隔离材料可以邻近建筑外 壳的表面设置，例如邻近外墙、屋顶或其组合设置。如果需要，所述建筑隔离材料还可以邻 近外部遮盖物（例如墙板）设置。所述建筑隔离材料还可以邻近所述内部的表面设置，例 如邻近内墙、地板、天花板、门或其组合设置。
[0010] 下面将更详细地讨论本发明的其它特征和方面。
[0011] 附图简沐
[0012] 针对本领域普通技术人员而言，本发明的完整且能够实现的公开内容，包括其最 佳模式在说明书的剩余部分中参照附图被更具体地阐述，其中：
[0013] 图1示出由可以根据本发明形成的建筑板制造的建筑基础墙的局部示意图；
[0014] 图2是图1的建筑板沿着线2-2的平均横截面尺寸；
[0015] 图3是建筑结构的一个实施方案的透视图，其中，本发明的建筑隔离材料邻近外 墙设置；
[0016] 图4是建筑结构的一个实施方案的透视图，其中，本发明的建筑隔离材料邻近内 墙设置；
[0017] 图5-6是实施例7的未伸展的膜的扫描式电子显微镜（SEM)显微照片（膜在平行 于机器方向的取向被切割）；
[0018] 图7-8是实施例7的伸展的膜的扫描式电子显微镜（SEM)显微照片（膜在平行于 机器方向的取向被切割）；
[0019] 图9-10是实施例8的未伸展的膜的扫描式电子显微镜（SEM)显微照片，其中在图 9中膜垂直于机器方向被切割，并且在图10中膜平行于机器方向被切割；
[0020] 图11-12是实施例8的伸展的膜的扫描式电子显微镜（SEM)显微照片，（膜在平 行于机器方向的取向被切割）；
[0021] 图13是实施例9 (聚丙烯、聚乳酸和聚环氧化物）的纤维在液氮中冷冻断裂后的 扫描式电子显微镜（SEM)显微照片（1，000X);
[0022] 图14是实施例9 (聚丙稀、聚乳酸和聚环氧化物）的纤维在液氮中冷冻断裂后的 扫描式电子显微镜（SEM)显微照片（5,000Χ);以及
[0023] 图15是实施例9(聚丙烯、聚乳酸和聚环氧化物）的纤维表面的扫描式电子显微 镜（SEM)显微照片（10, 000Χ)。
[0024] 在本说明书和附图中的附图标记的重复使用旨在代表本发明的相同或类似的特 征或元件。
[0025] 代表件实施方案的详沐
[0026] 现在将详细参照本发明的各种实施方案，其一个或多个实施例在下文阐述。每个 实施例以解释本发明而不是限制本发明的方式提供。事实上，对于本领域技术人员显而易 见的是，在不背离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中做出各种修改和变化。例 如，作为一个实施方案的部分举例说明或描述的特征，可以用于另一个实施方案以产生又 一个实施方案。因此，本发明意在覆盖落入所附权利要求及其等同方案的范围内的这样的 修改和变化。
[0027] -般而言，本发明涉及包含多孔聚合物材料（例如膜、纤维材料等）的建筑隔离材 料。如本文所使用的，术语"建筑隔离材料"泛指在建筑物中出于任何目的用作隔离材料的 任何物体，例如隔热材料、隔音材料、抗冲击（例如震动）材料、防火材料、隔潮材料等以及 其组合。所述建筑隔离材料可以设置到住宅或商业建筑结构中，从而使它邻近建筑外壳的 表面，所述建筑外壳是建筑物的内部和外部环境之间的实物隔离物，并且可以包括，例如地 基、房顶、外墙、外门、窗户、天窗等。所述建筑隔离材料还可以设置成邻近建筑物的内表面， 例如内墙、内门、地板、天花板等。
[0028] 不管建筑隔离材料在其中使用的具体位置如何，本发明的多孔聚合物材料可在建 筑物中提供多种隔离功能，并且在一些情况下，甚至消除了对特定类型的传统隔离材料的 需求。例如，所述聚合物材料是多孔的且限定出多孔网络，所述多孔网络例如可以占每立方 厘米材料的约15%至约80%，在一些实施方案中占约20%至约70%，和在一些实施方案中 占约30%至约60%。这样的高的孔体积的存在能够使聚合物材料通常是水蒸气可渗透的， 从而允许这样的蒸汽在使用过程中从建筑物表面逸出并且限制随时间推移的水损害的可 能性。材料的水蒸气渗透性可以以其相对高的水蒸气透过率（"WVTR"）表征，该水蒸气透 过率是如以克每平方米每24小时（g/m2/24hr)为单位测量的水蒸气透过材料的速率。例 如，所述聚合物材料可显示约300g/m2-24小时或更高，在一些实施方案中为约500g/m2-24 小时或更高，在一些实施方案中为约1，〇〇〇g/m2_24小时或更高，和在一些实施方案中为约 3, 000至约15, 000g/m2-24小时的WVTR，如根据ASTM E96/96M-12,程序B或INDA测试程序 IST-70. 4(01)所确定的。除了允许蒸汽通过以外，材料的相对高的孔体积还能够显著降低 材料的密度，这能够实现仍实现良好的隔离性能的更轻的、柔性更好的材料的使用。例如， 所述组合物可具有相对低的密度，如约1.2克每立方厘米（"g/cm3"）或更低，在一些实施 方案中为约1. 〇g/cm3或更低，在一些实施方案中为约0. 2g/cm 3至约0. 8g/cm 3,和在一些实 施方案中为约〇. lg/cm3至约0. 5g/cm3。由于其低密度，可以形成更轻的材料，所述材料依 旧实现良好的耐热性。
[0029] 尽管是高度多孔且通常水蒸气可渗透的，但本发明人已经发现，多孔网络可被认 为是"闭孔"网络，使得大部分的孔之间并未限定出弯曲的通道。这样的结构可以帮助限制 流体通过材料的流动，并且通常可以是流体（例如液态水）不可渗透的，从而允许材料隔绝 表面以免被水渗透。在这方面，聚合物材料可具有如根据ATTCC 127-2008确定的、约50厘 米（"cm"）或更高，在一些实施方案中为约100cm或更高，在一些实施方案中为约150cm或 更高，以及在一些实施方案中为约200cm至约1000cm的相对高的静水压值。
[0030] 聚合物材料中的大部分孔也可以具有"纳米级"尺寸（"纳米孔"），如具有约800 纳米或更小，在一些实施方案中为约1至约500纳米，在一些实施方案中为约5至约450纳 米，在一些实施方案中为约5至约400纳米，以及在一些实施方案中为约10至约100纳米的 平均横截面尺寸的那些。术语"横截面尺寸"通常是指孔的特征尺寸（例如宽度或直径），所 述特征尺寸与孔的主轴（例如长度）基本正交，并且通常还与拉伸过程中所施加的应力的 方向基本正交。这样的纳米孔例如可以占聚合物材料中总孔体积的约15vol. %或更多，在 一些实施方案中为约20vol. %或更多，在一些实施方案中为约30vol. %至约100vol. %， 以及在一些实施方案中为约40vol. %至约90vol. %。这样高程度的纳米孔的存在可显著 降低热导率，因为在每个孔中较少细胞分子可用来碰撞并传递热量。因此，所述聚合物材料 还可作为隔热材料来帮助限制经过建筑结构的热传递程度。
[0031] 为此目的，所述聚合物材料可显示相对低的热导率，如约0. 40瓦特每米-开尔 文（"W/m-K"）或更低，在一些实施方案中为约0. 20W/m-K或更低，在一些实施方案中为约 0. 15W/m-K或更低，在一些实施方案中为约0. 01至约0. 12W/m-K，以及在一些实施方案中为 约0. 02至约0. 10W/m-K。值得注意地，所述材料能够在相对小的厚度下获得如此低的热导 率值，这可使所述材料具有较高程度的柔性和顺应性，并降低其在建筑物中占据的空间。为 此目的，所述聚合物材料还可显示相对低的"热导纳"，其等于材料的导热率除以其厚度并 且以瓦特每平方米-开尔文（"W/m2K"）为单位提供。例如，所述材料可显示约1000W/m2K 或更低，在一些实施方案中为约10至约800W/m2K，在一些实施方案中为约20至约500W/ m2K，以及在一些实施方案中为约40至约200W/m2K的热导纳。聚合物材料的实际厚度可取 决于其具体形式，但通常为约5微米至约100毫米，在一些实施方案中为约10微米至约50 毫米，在一些实施方案中为约200微米至约25毫米，以及在一些实施方案中为约50微米至 约5毫米的范围。
[0032] 与用于形成建筑隔离材料的传统技术相反，本发明人已经发现，本发明的多孔材 料可不使用气态发泡剂来形成。这部分是由于材料组分的独特性质，以及所述材料所形成 在其中的物质。更具体地，所述多孔材料可以由这样的热塑性组合物形成，所述热塑性组合 物含有包括基质聚合物、微米包含物添加剂和纳米包含物添加剂的连续相。可选择所述添 加剂以使得它们具有不同于基质聚合物的弹性模量。以这种方式，所述微米包含物添加剂 和纳米包含物添加剂可以分别作为离散的微米级和纳米级相区域分散在所述连续相中。本 发明人已经发现，在经受变形和伸长应变（例如拉伸）时，微米级和纳米级相区域能够以独 特的方式相互作用，以形成孔的网络，该孔的网络的大部分具有纳米级尺寸。即，认为由于 材料的不相容性引起的应力集中，伸长应变可以在微米级离散相区域附近引发加强的局部 剪切区域和/或应力密集区域（例如，正应力）。这些剪切和/或应力密集区域导致在邻近 微米级区域的聚合物基质中的一些初始剥离。然而，值得注意地，局部剪切和/或应力密集 区域还可以在与微米级区域重叠的纳米级离散相区域附近产生。这样的重叠剪切和/或应 力密集区域导致在聚合物基质中发生甚至进一步的剥离，从而在纳米级区域和/或微米级 区域附近产生大量的纳米孔。
[0033] 现在将更详细地描述本发明的各实施方案。
[0034] I.热塑件组合物
[0035] A.基质聚合物
[0036] 如上所述，热塑性组合物可包含含有一种或多种基质聚合物的连续相，所述基质 聚合物通常占热塑性组合物的约60wt. %至约99wt. %，在一些实施方案中占热塑性组 合物的约75wt. %至约98wt. %，和在一些实施方案中占热塑性组合物的约80wt. %至约 95wt. %。用于形成所述连续相的基质聚合物（或多种基质聚合物）的性质并非关键并且通 常可使用任何适合的聚合物，如聚酯、聚烯烃、苯乙烯聚合物、聚酰胺等。例如，在某些实施 方案中，可在所述组合物中使用聚酯来形成聚合物基质。各种聚酯中的任意一种通常可被 使用，如脂肪族聚酯，如聚己内酯、聚酰胺酯、聚乳酸（PLA)及其共聚物、聚乙醇酸、聚碳酸 亚烷基酯（例如，聚碳酸亚乙酯）、聚-3-羟基丁酸酯（PHB)、聚-3-羟基戊酸酯（PHV)、3-羟 基丁酸酯与4-羟基丁酸酯的共聚物、3-羟基丁酸酯与3-羟基戊酸酯的共聚物（PHBV)、 3-羟基丁酸酯与3-羟基己酸酯的共聚物、3-羟基丁酸酯与3-羟基辛酸酯的共聚物、3-羟 基丁酸酯与3-羟基癸酸酯的共聚物、3-羟基丁酸酯与3-羟基十八烷酸酯的共聚物和基于 琥珀酸酯的脂族聚合物（例如，聚琥珀酸丁二醇酯、聚琥珀酸己二酸丁二醇酯、聚琥珀酸乙 二醇酯等）；脂族-芳香族共聚酯（例如，聚己二酸对苯二酸丁二醇酯、聚己二酸对苯二酸 乙二醇酯、聚己二酸间苯二酸乙二醇酯、聚己二酸间苯二酸丁二醇酯等）；芳香族聚酯（例 如，聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯等）；等等。
[0037] 在某些情况下，热塑性组合物可含有至少一种性质上为刚性并因此具有相对高的 玻璃化转变温度的聚酯。例如，玻璃化转变温度（"Tg")可为约o°c或更高，在一些实施方案 中为约5 °C至约100 °C，在一些实施方案中为约30 °C至约80 °C，在一些实施方案中为约50 °C 至约75°C。聚酯的熔融温度也可以为约140°C至约300°C，在一些实施方案中为约150°C至 约250°C，和在一些实施方案中为约160°C至约220°C。熔融温度可以根据ASTM D-3417采 用差示扫描量热法（〃DSC〃）来测定。玻璃化转变温度可以根据ASTM E1640-09通过动态机 械分析来测定。
[0038] -种特别适合的刚性聚酯是聚乳酸，其通常可源自乳酸的任意异构体的单体单 元，如左旋乳酸（"L-乳酸")、右旋乳酸（"D-乳酸")、内消旋乳酸（meso-lactic acid)或 其混合物。单体单元也可以由乳酸的任意异构体的酸酐，包括左旋丙交酯、右旋丙交酯、内 消旋丙交酯（meso-lactide)或其混合物形成。这样的乳酸和/或丙交酯的环状二聚体也可 以被采用。任意已知的聚合方法，如缩聚或开环聚合，均可以用来聚合乳酸。少量的扩链剂 (例如，二异氰酸酯化合物、环氧化合物或者酸酐）也可以被采用。聚乳酸可以是均聚物或 者共聚物，如含有源自L-乳酸的单体单元和源自D-乳酸的单体单元的那些。虽然不要求， 源自L-乳酸的单体单元和源自D-乳酸的单体单元中之一的含量比率优选为约85摩尔％ 或者更高，在一些实施方案中为约90摩尔％或者更高，和在一些实施方案中为约95摩尔％ 或者更高。多种聚乳酸可以以任意百分比共混，其中每种均具有不同的源自L-乳酸的单体 单元与源自D-乳酸的单体单元之比。当然，聚乳酸也可以与其它类型的聚合物（例如，聚 烯烃、聚酯等）共混。
[0039] 在一个特别的实施方案中，聚乳酸具有以下通式结构：
[0041] 本发明中可使用的适合的聚乳酸聚合物的一个具体实例可商购自德国 Krailling的Biomer，Inc.，名称为BIOMER? L9000。其它适合的聚乳酸聚合物可商购自 Minnesota 的 Minnetonka 的 Natureworks LLC，（ NATUREWORKS? )或者 Mitsui Chemical (LACEA?)。还有其它适合的聚乳酸描述于第4, 797, 468号、第5, 470, 944号、第 5, 770, 682号、第5, 821，327号、第5, 880, 254号和第6, 326, 458号美国专利中。
[0042] 聚乳酸通常具有约40, 000至约180, 000克每摩尔，在一些实施方案中为约50, 000 至约160, 000克每摩尔，和在一些实施方案中为约80, 000至约120, 000克每摩尔的数均分 子量（〃Mn〃）。同样，所述聚合物还通常具有约80, 000至约250, 000克每摩尔，在一些实施方 案中为约100, 〇〇〇至约200, 000克每摩尔，和在一些实施方案中为约110, 000至约160,000 克每摩尔的重均分子量（〃MW〃）。重均分子量与数均分子量之比（〃MW/Mn〃），即"多分散性指 数〃也是相对低的。例如，多分散性指数通常为约1. 0至约3. 0,在一些实施方案中为约1. 1 至约2. 0,和在一些实施方案中为约1. 2至约1. 8。重均和数均分子量可以通过本领域技术 人员已知的方法测定。
[0043] 如在190°C的温度和1000秒1的剪切速率下测定的，聚乳酸也可以具有约50至 约600帕